太陽能-空氣源熱泵牧草干燥系統制熱性能研究

錢珊珠,楊海巍,郭文斌,錢丹珠,張清楊,王振彬,屠旭杰,黃長華

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院,呼和浩特 010018;2.通遼職業學院 藥品食品系,內蒙古 通遼 028000)

0 引言

太陽能作為清潔、無污染、可再生能源,在干燥領域應用廣泛。但是,由于太陽能的間歇性、分散性及氣候依賴性等原因,以太陽能作為唯一熱源的干燥模式不能實現穩定、連續作業[1-6],或無法保障干燥過程中所需熱能,工藝不易控制,進而限制了該技術的推廣應用?？諝庠礋岜孟到y是一種利用高位能使熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的節能裝置,因系統冷熱源合一、運行過程可控、狀態可調,能使輸出功率與工作環境相適應,受天氣影響較小,但對電能消耗量較大[7-9]。近年來,太陽能-熱泵聯合干燥逐漸成為干燥領域的熱點,其在糧食、果蔬、木材等領域應用廣泛[10-14],但在牧草干燥領域中的應用不多見。太陽能-空氣源熱泵系統是一種新型的牧草干燥系統,研究其制熱性能對牧草干燥設備的改進設計、研發及干燥工藝的匹配研究具有重要意義和實際參考價值。

1 干燥系統組成及工作原理

太陽能-空氣源熱泵牧草干燥系統由制熱單元、干燥單元和控制單元構成,如圖1所示。

圖1 干燥系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of drying system

其中,制熱單元由太陽能集熱子系統、空氣源熱泵子系統組成;干燥單元由迂回級聯式兩個氣室及干燥支架和托盤等組成;控制單元是以PLC為核心的控制器,可控制各單元執行部件的調速、啟停和系統工作條件、工藝參數的設定等,便于不同模式之間的切換和干燥過程的自動控制。

系統工作原理示意圖如圖2所示。工作時,太陽能制熱單元將外界環境干冷空氣加熱,被加熱后的熱空氣在鼓引風機及循環風機作用下依次進入備氣室、干燥單元的A室和B室,進入干燥室的熱空氣與物料進行對流換熱換質,從而達到干燥目的。

圖2 干燥室內部氣流分布Fig.2 Air distribution inside the drying chamber

制熱單元的工作可以是兩個子系統聯合運行或各自單獨運行3種模式。當系統處于聯合運行狀態時,冷空氣經過集熱器升溫,在鼓引風機作用下進入備氣室;進入備氣室的熱空氣溫度沒有達到設定溫度時熱泵啟動對其進行二次加熱,在與干燥室A與干燥室B相連循環風機作用下先后經過A室、B室,進入備氣室;進入備氣室的濕熱空氣再次被加熱,又一次送入干燥室。此外,當干燥室內熱空氣相對濕度大于設定上限濕度時,干燥室的除濕風機開始工作,排除濕熱空氣,由與集熱器相連的鼓引風機補充干熱空氣。

2 系統測試設備及試驗指標

本文研究對象是太陽能-空氣源熱泵干燥系統,通過在此系統上進行太陽能單獨制熱、熱泵單獨制熱和太陽能-熱泵聯合制熱3種模式下的試驗,對聯合干燥系統在實際應用中的性能進行分析。為了分析系統在實際物料干燥過程中的性能,結合牧草干燥需求,選擇紫花苜蓿為干燥物料。

2.1 測試設備

1)溫濕度傳感器:選用華控興業生產的型號為HSTL-102WS的溫濕度傳感器,用來測量干燥室內溫度、冷凝器前后溫度以及環境溫度,其量程為0～100%RH、-40～120℃,精度為±0.2℃、±2%RH,響應時間<15s。

2)稱重傳感器:選用雷泰生產的型號為LD-A3的稱重傳感器,用來測量被干燥苜蓿的實時質量變化,其量程為0～5kg,精度為±1g,綜合誤差為±0.02%F·S。

3)三相四線電能表:選用上海人民生產的型號為DTS1762的三相四線電能表,用來測量干燥系統的耗電量,其量程為0～99999.9kW·h,精度為0.1kW·h。

4)太陽能輻射儀:選用錦州陽光生產的型號為TBQ-2的太陽能輻射儀,用來測量環境中的太陽輻照度,其量程為0～2000W/m2,精度<5%。

2.2 試驗指標

試驗指標有系統能效比COP、單位能耗除濕量SMER。此外,還引入兩個新指標,即溫升速率vt和單位溫升耗電量wt。

1)能效比COP。計算公式為[15]

(1)

(2)

式中Pc-冷凝器的制熱功率(kW);

ca-空氣的定壓比熱容[J/(kg·K)];

Tco、Tci-冷凝器的出風口、進風口溫度(℃);

Pe-熱泵干燥系統的電功率(kW)。

2)溫升速率vt(℃/min)。溫升速率vt是指單位時間內干燥室內溫度變化值,計算公式為

(3)

式中T2、T1-t2、t1時刻測試點的介質(空氣)溫度(℃);

t2、t1-測試時間(min)。

3)單位溫升耗電量wt。wt是指干燥室內溫度每升高1℃系統所需的電能(kW·h/℃),計算公式為

(4)

式中 ΔW-Δt=(t2-t1)時間內的耗電量(kW·h)

ΔT-Δt=(t2-t1)時間內測試點溫度的增量(℃)。

4)單位能耗除濕量SMER。計算公式為

(5)

式中mi、mf-物料的初始質量和最終質量(kg);

W-系統的耗電量(kW·h)。

2.3 試驗設計及試驗因素水平

2.3.1 試驗設計

試驗根據制熱系統工作模式分為太陽能單獨制熱、熱泵單獨制熱、太陽能-熱泵聯合制熱3種。根據干燥室內有無物料分為空載試驗和帶載試驗,通過帶載試驗研究系統的除濕能力。

太陽能集熱子系統制熱試驗中由于無法做到恒溫制熱,故采用溫升速率和溫升耗電量作為其性能指標。試驗中,測取在實時天氣狀態下熱空氣所能達到的最高溫度、所需時間及耗電量,計算溫升速率與溫升耗電量。

熱泵單獨制熱試驗和太陽能-熱泵聯合制熱試驗研究中將制熱過程分為升溫制熱和恒溫制熱兩個階段,分析在不同目標溫度及制熱過程中的耗電量、制熱效率及COP值。

2.3.2 試驗因素水平及試驗方法

試驗因素包括環境溫度、太陽能輻射、制熱溫度及時間,如表1所示。

表1 熱泵單獨制熱及太陽能-熱泵聯合制熱試驗因素水平表Table 1 Test factor level table of heat pump independent heating and solar-heat pump combined heating test

太陽能制熱子系統性能試驗的指標有溫升率和溫升能耗,影響其制熱性能的因素有太陽能輻射、環境溫度、相對濕度及集熱器內空氣流量等,試驗在空氣流量一定的情況下進行。熱泵制熱子系統不工作時,系統處于太陽能單獨工作模式;關閉集熱器與備氣室管道間的鼓引風機時,系統處于熱泵單獨制熱模式。溫升制熱試驗中,測取干燥室內溫度從環境溫度至設定的恒溫制熱溫度過程的溫度、時間和能耗;恒溫試驗是在干燥室內溫度達到設定的制熱溫度后繼續制熱3～4h,測取時間和能耗。

3 試驗材料及結果

3.1 試驗材料及地點、時間

帶載試驗所用紫花苜蓿產于中國農業科學院草原研究所農牧交錯試驗示范基地,試驗地點為內蒙古自治區呼和浩特市賽罕區內蒙古農業大學機電學院實訓基地,試驗時間為2021年6月30日～7月20日。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 太陽能單獨制熱試驗

表2為進行太陽能單獨制熱試驗日的環境參數變化范圍,具體時間是2021年6月30日、7月1日、7月3日。

表2 太陽能單獨制熱試驗日環境參數Table 2 Environmental parameters of solar heating alone test day

試驗日環境溫度和太陽輻照度變化曲線如圖3所示。由圖3可知:干燥室內溫度變化趨勢與環境溫度和太陽輻照度變化趨勢基本一致,即當環境溫度和太陽能輻照度增加時干燥室內溫度也會隨之增加;晴間多云時的太陽輻照度和環境溫度波動與晴天相比更為劇烈,說明太陽能單獨制熱模式受天氣因素影響明顯且制熱溫度波動大,且制熱效率低;干燥室內最高溫度為38.6℃(2021年7月3日13時),溫度升高范圍在4.7～8.3℃。

圖3 環境溫度和太陽能輻照度變化曲線Fig.3 Variation curves of ambient temperature and solar irradiance

圖4為溫升速率圖。由圖4可知:即使在晴天,溫升速率也不隨著輻射增大而增加,且溫升速率很低;太陽能輻射有波動時溫升速率的波動隨之變大,如輻射范圍在315～787W/m2范圍內的晴間多云天氣的溫升速率在-0.123～+0.117℃/min之間(2021年7月1日)。此外,溫升速率有出現負值的現象,說明太陽能單獨制熱模式會受到環境因素的制約,無法提供穩定的制熱溫度,溫升速率低同時也使系統能耗增大。

圖4 溫升速率變化曲線Fig.4 Temperature rise rate change curve

3.2.23種工作模式下系統溫升速率vt和單位溫升耗電量wt對比分析

分別選取與2021年7月3日環境條件基本接近的另外兩種試驗,對3種試驗模式下干燥室內溫度由環境溫度(24℃)升至38℃時的數據進行分析,獲得的溫升速率范圍耗電量如表3所示。

表3 vt和wt對比表Table 3 vt and wt comparison table

由表3可知:在溫升試驗中,太陽能熱泵聯合制熱模式的溫升速率比太陽能單獨制熱模式高99～112倍,比熱泵單獨制熱模式溫升速率低7.7%～17.6%。由于太陽能制熱模式制熱速率過小、制熱時間過長,導致單位溫升耗電量相較高。太陽能-熱泵聯合制熱模式與其相比,單位溫升耗電量降低86.2%,與熱泵單獨制熱單位溫升耗電量相比低8.0%。

3.2.3熱泵系統與太陽能-熱泵聯合系統的性能分析

圖5為熱泵單獨制熱和太陽能-熱泵聯合制熱試驗的單位溫升耗電量和系統的COP隨制熱溫度的變化圖。由圖5可知:升溫制熱過程中,不同溫度階段耗電量不同,且隨著制熱溫度的升高耗電量也增大;在相同溫升階段的制熱模式下,聯合制熱能耗普遍比熱泵單獨制熱能耗低;恒溫制熱過程中的耗電量也隨制熱溫度的升高而增大。

圖5 單位溫升耗電量和系統的COP隨溫度的變化圖Fig.5 Changes in power consumption per unit temperature rise and COP of the system with temperature

表4為熱泵單獨制熱和太陽能-熱泵聯合制熱兩種模式下不同溫度或溫度范圍內的系統耗電量情況,表5為兩種制熱模式下不同溫度或溫度范圍內的系統COP值。

表4 兩種制熱模式下的耗電量及其增幅Table 4 Power consumption and its increase in two heating modes

表5 兩種制熱模式下的COP及其增幅Table 5 COP and its increase in two heating modes

由表4、表5可知:無論是恒溫制熱,還是升溫制熱,太陽能-熱泵聯合制熱模式均體現了低能耗、高COP的特點,且兩種制熱模式的變化趨勢基本一致:隨著制熱溫度或溫度區間的增大,耗電量隨之增加,COP隨之降低。

相比熱泵單獨制熱模式,恒溫制熱下耗電量降低了5.8%～10.7%,COP提高了6.5%～1.1%;升溫制熱下,耗電量降低了6.7%～11.1%,COP提高了6.0%～10.4%。

3.2.4 系統除濕能力分析

為了探究干燥系統的除濕能力,在干燥系統上對紫花苜蓿進行恒溫干燥試驗。制熱模式有熱泵單獨干燥和太陽能-熱泵聯合干燥,變化曲線如圖6所示。苜蓿草初濕含水率為55%,狀態為捆草,密度為80kg/m3,干燥溫度55℃。

圖6 系統的SMER與苜蓿含水率隨時間的變化曲線Fig.6 Variation curve of SMER and water content of alfalfa system with time

由圖6(a)、(b)可知:干燥溫度及干燥介質溫度一定情況下,苜蓿含水率不同對應的單位能耗除濕量SMER也不同,除濕能力與含水率變化呈正相關,含水率越高除濕能力越強。圖6(c)顯示:太陽能熱泵聯合干燥的SMER值范圍為0.79～2.97,熱泵單獨干燥的SMER值范圍為0.59～2.43,太陽能聯合干燥模式的除濕效率比熱泵單獨干燥模式高19.8%～36.2%。

4 結論

1)采用太陽能單獨制熱模式時,干燥室內溫度變化與環境溫度和太陽輻照度變化基本相同,但易受到環境因素限制,無法穩定提供所需制熱溫度。

2)熱泵單獨制熱具有較好的溫升速率,但能耗高;太陽能-熱泵聯合制熱與熱泵單獨制熱比較,雖制熱速率稍低,但能耗較低,有利于長時間的干燥作業,具有節約電能及提高COP值的優勢。

3)帶載試驗結果表明:太陽能-熱泵聯合干燥模式的單位能耗除濕值SMER比熱泵單獨制熱高19.8%～36.2%,即除濕效率較高。